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November 2013
Thomas Keutel
Energiewandlung aus hochohmigen kapazitiven Stromquellen für die Versorgung drahtloser Sensorik aus dem elektrostatischen Feld von Hochspannungsleitungen
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von Konzepten zur Spannungswandlung, für die Nutzung hochohmiger kapazitiver Stromquellen, mit dem Ziel, drahtlose Sensorsysteme mit Energie zu versorgen. Als Stromquelle dient exemplarisch eine kapazitive Anordnung, realisiert durch eine zusätzliche Zylinderelektrode um das Leiterseil einer Hochspannungsübertragungsleitung. Nach einer ausführlichen Beschreibung der speziellen Quelleigenschaften werden Wandlertopologien analysiert mit dem Ziel, die Quelle bei möglichst hohem Leistungsaufkommen zu nutzen. Eine besondere Herausforderung für den Wandler stellt hierbei die Fähigkeit selbstständig und ohne zusätzliche Energie anzulaufen, dar. Identifiziert wurden sowohl eine Flusswandler- als auch eine Sperrwandler- Topologie, die anschließend evaluiert und für die besonderen Anforderungen eines drahtlosen Sensorsystems weiterentwickelt wurden. Außerdem wurde ein neuartiges Wandlungsprinzip vorgeschlagen, das auf dem kontrollierten Avalanche-Effekt basiert. Die drei sich grundsätzlich unterscheidende Wandlerstrukturen wurden bis zum Stadium eines Funktionsmusters konzipiert, entwickelt und sowohl im Labor als auch unter feldähnlichen Bedingungen in einem Hochspannungsprüffeld getestet. Kriterien für die experimentelle Evaluation sind z.B. die erreichbare Wandlerausgangsleistung, die Fähigkeit eines selbstständigen Anlaufs sowie die konfigurierbare Eingangsimpedanz. Abschließend stehen zwei vollwertige Wandlerstrukturen zur Verfügung, die die hohen Anforderungen eines drahtlosen Sensorsystems erfüllen. Der Flusswandler zeichnet sich unter anderem durch die primärseitig realisierbare Ansteuerung mit einer besonders hohen Robustheit aus. Damit eignet sich dieser Wandler für Anwendungen in rauen Umgebungen, wo Störungen und veränderliches Quellverhalten zu erwarten sind. Der Sperrwandler liefert im Vergleich zu den anderen untersuchten Wandlertopologien die höchste Ausgangsleitung, bei einem besonderen Konfigurationsvermögen hinsichtlich der Eingangsimpedanz. Wenn mit längeren Ausfällen der Quelle zu rechnen ist, wird jedoch eine Gerätebatterie erforderlich, die zu einer Begrenzung der Wartungsfreiheit führt. Der Avalanche-Wandler zeichnet sich durch den einfachen Aufbau und die einfache Miniaturisierung aus. Aufgrund des etwas niedrigen Energieaufkommens ist er insbesondere für die Versorgung von peripheren Anwendungen geeignet.
Keywords: Energy Harvesting; Hochohmige kapazitive Stromquelle; DC-DC-Wandler
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DOI 10.2370/9783844014891
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